温度套管强度校核工具使用教程
依据 ASME PTC 19.3 TW-2016
海客登州 · 仪表工程师工具集
一、为什么要做套管强度校核
温度套管插入流动介质时，介质在套管两侧交替脱落漩涡（卡门涡街），对套管施加周期性的横向升力和顺流阻力。当漩涡脱落频率接近套管固有频率时会发生共振，振幅急剧放大，套管可能疲劳断裂——轻则测温失效，重则介质泄漏、断裂的套管打坏下游设备。日本 Monju 快堆的钠泄漏事故即由套管涡激共振疲劳断裂引起。
ASME PTC 19.3 TW-2016 是评定套管机械强度的权威标准。本工具据此实现四层校核，判断套管在给定工况下是否安全。
【重要】 本工具的计算核心已用 TW-2016 的两份独立资料交叉验证，频率与应力关键中间量逐项吻合。但正式计量或安全设计前，仍应以完整的 TW 设计计算书复核。
二、四层校核是什么
工具按标准评定流程依次做四道校核，前一道通过后面才有意义：
校核 | 评定内容 | 失效方式 |
频率 | 漩涡脱落频率与套管固有频率之比，判断是否避开共振 | 共振 |
稳态应力 | 介质压力与恒定水流冲刷产生的静应力 | 压溃 / 弯断 |
动态应力 | 设计流速下涡激振动的交变应力 | 振动疲劳 |
循环应力 | 顺流共振点的高周疲劳应力（仅共振时校核） | 共振疲劳断裂 |
一句话理解四者关系：频率关问"能不能避开共振"——避开了就安全；避不开时，才靠后三关判断"就算振，套管扛不扛得住"。现场绝大多数套管在频率关就判定安全，只有高流速、大管径、长套管才需要后三关。
【注意】 循环应力只在频率比 ≥ 0.4（套管在某流速下确会顺流共振）时才校核。频率比很低时套管远离共振，此关显示"不适用"，不参与判定。
三、输入项说明
工具设计遵循"只填现场能拿到的量，专业系数由程序自动处理"。用户需要填的只有几何尺寸与工况参数，材料等级、弹性模量、应力集中系数、疲劳极限等全部由程序按材质与几何自动取值。
3.1 套管几何
输入项 | 符号 | 说明 |
安装方式 | — | 法兰 / 螺纹 / 承插焊，决定安装柔度与疲劳极限取值 |
杆型 | — | 锥形 / 直杆 |
非支撑长度 | L | 支撑点到套管尖端的悬臂长度（见下方说明） |
根径 | A | 套管根部外径 |
尖径 | B | 套管插入端外径（直杆时等于根径） |
内孔径 | d | 中心测温孔直径，即传感器插入的盲孔内径 |
根部圆角 | b | 选填，留空按保守值计算应力集中系数 |
【极易出错】 非支撑长度 L 是最容易填错的一项。L 不是"伸进管道的长度"，而是从套管被夹紧固定的截面（法兰密封面 / 螺纹根部 / 焊缝）到尖端的悬臂总长。若套管经过一段接管短节（nozzle）才进入管道，这段短节长度也要计入 L。固有频率 fnc 与 L 的平方成反比，L 偏小会高估固有频率，可能把危险套管误判为安全。
3.2 工况与材料
输入项 | 单位 | 说明 |
流速 V | m/s | 介质工况流速 |
工况温度 | ℃ | 影响弹性模量与许用应力取值 |
操作压力 | kPa | 用于稳态压力应力 |
介质密度 | kg/m³ | 工况密度 |
动力黏度 | mPa·s | 工况黏度，用于雷诺数与斯特劳哈尔数 |
套管材质 | — | 内置 17 种常用材质，自动关联 E / 许用应力 / 疲劳极限 |
【提示】 介质密度与黏度可先用"流体物性计算"工具按工况查取。内置材质涵盖 304/316/321/310/446 不锈钢、F22、Inconel、Monel、镍、钛、哈氏合金系列与碳钢。
四、计算示例
4.1 安全工况（远离共振）
310 不锈钢锥形套管，法兰安装，L=128、A=34、B=23、d=8 mm。介质流速 2 m/s、温度 55 ℃、压力 300 kPa、密度 1111 kg/m³、黏度 0.1 mPa·s。
结果：频率比 fs/fnc = 0.0147（固有频率 1300 Hz，涡街频率仅 19 Hz），套管远离共振。稳态应力安全系数 246、动态应力安全系数 194，循环应力显示"不适用"。总评通过。这是最常见的现场情形——套管足够粗短、流速不高，频率关即判安全。
4.2 失效工况（高流速共振）
316 不锈钢锥形套管，螺纹安装，L=200、A=27、B=16、d=6.5 mm。高速蒸汽：流速 30 m/s、温度 250 ℃、压力 2000 kPa、密度 12 kg/m³。
结果：频率比 fs/fnc = 0.758，落入 0.6~0.8 允许窗口，意味着套管在顺流共振流速 VIR≈19.8 m/s 附近会共振。此时必须做循环应力校核，结果安全系数仅 0.29——远小于 1，共振疲劳应力超限。总评不通过，提示需缩短套管或加粗根径。
4.3 整改：缩短套管
将 4.2 的套管非支撑长度从 200 mm 缩短到 120 mm（其余不变），固有频率从 498 Hz 升到 1237 Hz，频率比降到 0.305，重新回到 0.4 以下的安全区。总评通过。这演示了套管整改的基本思路：缩短 L 或加粗根径 A 都能提高固有频率、拉开与涡街频率的距离。
【提示】 固有频率 fnc 与 L² 成反比、与根径 A 成正比。共振不通过时，优先考虑缩短插入长度或选用更粗的套管；也可加装支撑套管（如带 support collar）改变边界条件。
五、结果解读
结果区顶部是总评结论（通过 / 有条件通过 / 不通过），下方四行分别对应四层校核，每行以对勾或叉号加一句话小结给出安全系数。点击"展开中间量"可查看固有频率、涡街频率、雷诺数、斯特劳哈尔数、几何因子、应力集中系数、共振流速 VIR、疲劳极限等全部中间参数，便于与设计计算书逐项对数。
总评 | 含义 |
通过 | 各项校核满足，套管远离共振或应力均在限值内 |
有条件通过 | 频率比落入允许窗口，但已通过循环应力校核 |
不通过 | 存在未满足的校核项，需调整套管几何或工况 |
六、常见问题
6.1 为什么低流速工况循环应力显示"不适用"而不是通过？
循环应力评定的是套管在顺流共振流速下的疲劳应力。当频率比远低于 0.4 时，套管在设计流速下根本不会共振，那个假想的共振流速可能高达几十米每秒、现实中不存在，其应力没有物理意义。标准规定这种情况无需做循环应力计算，所以显示"不适用"而非参与判定。
6.2 内孔径 d 填传感器直径还是孔径？
填实际加工的测温孔径，通常比传感器直径略大以留装配间隙。例如配 Φ6 铠装元件的套管内孔一般约 6.4~6.5 mm。d 决定套管截面惯性矩和质量，直接影响固有频率。
6.3 材质表里没有我用的牌号怎么办？
可选用力学性能相近的内置牌号近似（如多数奥氏体不锈钢的弹性模量接近）。若需精确，请提供该材质的弹性模量-温度、许用应力-温度和疲劳极限数据。
6.4 结果显示"不通过"一定不能用吗？
不通过表示在给定几何与工况下不满足 TW-2016 判据，存在振动或应力风险。可通过缩短插入长度、加粗根径、更换安装方式或降低流速等方式整改后重新校核，直至通过。
—— 本工具结果仅供工程参考，正式设计请以完整 TW 计算书复核 · 海客登州 ——